NL8602297A - Smoorinrichting en werkwijze voor het toepassen daarvan. - Google Patents

Description

NO 33945 * ♦ -S' * % J.-

Smoorinrichting en werkwijze voor het toepassen, daarvan.

Aanvraagster noemt als uitvinders: Ir. S.P.P.Ottengraf en

Ir.J.G.Wijers, Technische Universiteit Eindhoven.

5

De uitvinding heeft betrekking op een smoorinrichting voor het toevoeren van een medium met hogere druk in een medium met lagere druk, welke smoorinrichting is voorzien van een ringvormige nauwe doorlaat -die aansluit op een kanaal of boring en waardoorheen de stroming plaats 10 vindt van het medium met hoge druk naar het medium met lagere druk, welke doorlaat enerzijds is bepaald door een stationaire wand en anderzijds door een lichaam, dat de stroming beïnvloedt.

Een dergelijke smoorinrichting is in velerlei uitvoeringsvormen bekend en bestaat doorgaans uit een kleplichaam van geschikte vorm, zoals 15 naaldklep, kegelklep, schijfklep en dergelijke, welk kleplichaam is gekoppeld met een bedieningsorgaan met behulp waarvan het vanuit de sluit-stand, waarbij kleplichaam en klepzitting op elkaar rusten, kan worden bewogen naar een stand waarin het een nauwe doorlaat vrij geeft waardoorheen het medium met omstroming van het kleplichaam vanuit het gebied 20 met hogere druk kan stromen naar het gebied met lagere druk.

Er zijn zeer veel verschillende processen waarbij zich een dergelijke toevoer van medium met hogere druk in een medium met lagere druk kan voordoen en waarbij een zeer nauwkeurige beheersing van de stroming nodig is. Vele van deze media voeren deeltjes met zich mee, die zich op 25 kleplichaam of klepzitting kunnen afzetten, waardoor de smoorwerking wordt beïnvloed. Heel vaak is de optimale werking van het smoororgaan in een bepaald proces gebonden aan zeer nauwkeurig in te stellen afmetingen van de doorlaat waardoorheen de ontspanning van het medium met hogere druk naar het medium met lagere druk moet plaatsvinden. Dit is in het 30 bijzonder het geval daar waar in het medium met hogere druk een andere stof is opgelost, bijvoorbeeld een gas in een vloeistof, dat dan bij het ontspannen via de smorende ringvormige nauwe doorlaat vrijkomt en in het medium met lagere druk bellen vormt. Dient men daarbij in het betreffende proces bij voorkeur een belvorming te krijgen waarbij de belletjes 35 uitermate klein zijn dan moet ook de doorlaat zeer gering zijn en deze vervuilt dan gemakkelijk, ook dan wanneer, hetgeen ook voorkomt, de smoorinrichting bestaat uit een opening, die niet samenwerkt met een afsluitlichaam, doch die samenwerkt met een stroomopwaarts gelegen afsluiter.

40 Bekend is, dat men dan meerdere smoordoorlaten parallel aan elkaar 8602297 ’f 2 Η plaatst, hetgeen dan echter weer tot nadeel heeft, dat bij verstopping van één der doorlaten de anderen zwaarder worden belast, hetgeen van nadeel kan zijn voor het proces waarin de smoorinrichting wordt toegepast .

5 Verder is bekend, dat men niet ongestraft schaalvergroting kan toepassen wanneer grotere hoeveelheden van het ene medium via een smoorinrichting in het andere medium moeten worden gevoerd. Bij een gegeven drukverschil tussen de beide media verandert immers de smoorwerking wanneer men alleeen de doorlaat vergroot. Vergroting van het aantal 10 kleine doorlaten ter verkrijging van de vereiste doorstromingscapaciteit heeft echter het eerder genoemde bezwaar, dat bij verstopping van een doorlaat bij de andere doorlaten de omstandigheden veranderen.

Bij het reinigen van afvalwater is het bekend aan dit water water van hogere druk toe te voeren waarin een gas, zoals lucht, is opgelost. 15 Bij de ontspanning van het water van hogere druk via een smoordoorlaat in het water van lagere druk kan de lucht uit de oplossingstoestand vrijkomen en dit vindt plaats onder vorming van bellen. Deze stijgen op in het water en kunnen zich aan af te scheiden deeltjes hechten, die daardoor naar het oppervlak worden getransporteerd alwaar zij met op 20 zichzelf bekende middelen kunnen worden afgevoerd.

Bij de vorming van bellen is de oppervlaktespanning van het water van belang, want er dient evenwicht te zijn tussen de oppervlakteenergie van de bel en de druk in de bel.

Kleine bellen hebben de neiging grote bellen te vormen door coales-25 centie. Grote bellen zijn echter ongewenst want deze stijgen te snel naar het oppervlak en nemen de deeltjes niet mee omdat zij zich daar niet aan hechten. Uit het artikel "The Mechanism of dissolved air flotation for Potable Water: Basic Analysis and a Proposal" van J.K. Kitchener en R.J. Gochln, gepubliceerd in "Water Research", Vol. 15, 30 biz. 585 t/m 590, 1981, is de problematiek van het vormen van kleine bellen in water bekend door het daarin doen ontspannen van water met hogere druk met daarin opgeloste lucht. Daaruit is echter ook bekend dat het nog niet gelukt is zeer kleine belletjes te vormen wanneer het gaat om drinkwater, dat op grond van zijn zuiverheid een hoge oppervlakte-35 spanning heeft.

Doel van de uitvinding is nu een smoororgaan te verschaffen, dat de eerder genoemde bezwaren mist, dat ongevoelig is voor schaalvergroting en waarmee het mogelijk is een zeer fijne mist van kleine belletjes in de vloeistof te creëren wanneer het smoororgaan wordt toegepast in een 40 proces waarbij dit van belang is, zoals in een waterzuiveringsproces.

8602297 3

Het genoemde doel wordt volgens de uitvinding in de eerste plaats ** bereikt doordat het de stroming beïnvloedende lichaam eén in wezen vrij beweegbaar lichaam is, dat zich voor de monding van de doorlaat bevindt en een naar de ruimte met lagere druk toegekeerde effectief oppervlak 5 heeft, dat groter is dan het doorsnedeoppervlak van het genoemde kanaal of de boring, welk lichaam met de stationaire wand een zodanig gerichte doorlaat vormt, dat tijdens stroming van medium door deze nauwe doorlaat het lichaam in een evenwichtstoestand wordt gehouden enerzijds door de krachten voortvloeiende uit de druk in de ruimte met lagere druk en 10 anderzijds door de krachten voortvloeiende uit de drukverdeling in de doorlaat, die het gevolg is van de daar heersende stromingstoestand.

Een in wezen vrij beweegbaar lichaam is een lichaam, dat zich kan instellen onder invloed van de erop werkende krachten en dat in principe geen afsluitfunctie heeft.

15 Het is derhalve niet uitgesloten, dat op het lichaam een additione le kracht werkt, die is gericht in de richting van de hartlijn van de ringvormige doorlaat.

Deze kracht kan worden geleverd door de zwaartekracht van de massa van de massa van het lichaam, maar kan ook bestaan uit een lichte veer 20 die het lichaam van de boring af drukt of er naar toe alnaargelang hetgeen gewenst is.

Het lichaam zijn of een lichaam met een plaatvormig of plat vlak danwel een bolvormig lichaam. Het kan ook een kegelvormig lichaam zijn en het kan van nut zijn wanneer het lichaam enige uitsteeksels heeft, 25 die beletten, dat bij uitschakeling van de stroming het lichaam de opening zou kunnen afsluiten. Met de vrije beweegbaarheid van het lichaam bereikt men dat het door de nauwe doorlaat stromende medium in deze doorlaat als gevolg van de hoge snelheid een zodanige drukverlaging ervaart, dat het lichaam naar de uitstroomopening toe wordt gedrukt door 30 de druk die zich bevindt in de ruimte met lagere druk. Er ontstaat dan een evenwicht waarbij dit lichaam een trillende beweging gaat uitvoeren van en naar de uitstroomopening toe onder invloed van de zich ter weerszijden ontwikkelende krachten waarbij het drukverval in de nauwe doorlaat verklaarbaar is met de wet van Bernoulli, zoals nog nader zal 35 worden toegelicht.

Een dergelijk smoororgaan is niet gevoelig voor vervuiling want het lichaam stelt zich dan dienovereenkomstig in. Het lichaam heeft ook geen afsluitfunctie. De vorm van het kanaal en de richting van de ontspannende stroming beheersen de afmetingen en vorm van de nauwe doorlaat en 40 daarmede van het lichaam. Deze worden verder bepaald door de procesom- 8602297 ί 4 standigheden, d.w.z. aard en dichtheid van de media, temperaturen en drukken.

Het is verrassend, dat door de zijdelings gerichte uitstroming door de ringvormige nauwe doorlaat het in feite zwevende lichaam niet wordt 5 weggeblazen, maar juist vöör de monding van het toevoerkanaal wordt gehouden.

Verrassend is ook, dat bij toepassing in een flotatieproces een wolk van microscopisch fijne belletjes wordt gevormd, die niet de neiging hebben tot vorming van grotere bellen en die daardoor buitengewoon 10 geschikt zijn om zich te hechten aan de af te scheiden deeltjes. Vervuiling speelt daarbij geen rol, omdat de doorlaat zich zelf regelt. Verrassender is echter, dat schaalvergroting geen invloed heeft op de belvorming, d.w.z. een klein kanaal met een klein lichaam vormt evengoed een mist van microscopisch kleine luchtbellen als een kanaal van aanmer-15 kelijk grotere diameter met een groter lichaam.

Bij een werkwijze voor het bevorderen van de flotatie in een afscheidingsproces door een met gasvormig medium onder druk verzadigde vloeistof toe te voeren onder gelijktijdige ontspanning via een smoororgaan aan het vloeibare lage druk medium waarin zich de af te 20 scheiden delen bevinden, is het derhalve van bijzonder grote nut wanneer daarbij als smoororgaan gebruik wordt gemaakt van het smoororgaan volgens de uitvinding. Dit geldt voor vele processen, o.a. bij een proces, waarbij het gaat om waterzuivering.

Smoororgaan en werkwijze volgens de uitvinding zijn echter niet 25 beperkt tot toepassing in een flotatieproces.

Er zijn vele processen denkbaar waarbij een dergelijk smoororgaan een rol kan spelen resp. waarbij de vorming van fijne belletjes een rol kan spelen, zoals processen in de voedingsmiddelenindustrie resp. in de olieindustrie en andere gebieden van de techniek.

30 De uitvinding voorziet in wezen in de vervanging van een al of niet afsluitbare smooropening door een smooropening waarvoor zich een lichaam bevindt, dat in omtreks richting onder een hoek met de asrichting wordt omstroornd vanuit een nauwe doorlaat, die door een stationaire wand en dit lichaam wordt gevormd, waardoor mede verklaarbaar door de wet 35 van Bernoulli dit lichaam op fluctuerende wijze de doorlaat beheerst.

In de tekeningen is in de figuren 1 en 2 het aan de uitvinding ten grondslag liggende principe op twee manieren toegelicht.

Fig. 3 toont schematisch de toepassing in een waterzuiveringspro- ces.

40 Fig. 1 toont een wand 1 met daarin een opening 2. Aan de ene 8602297 t 5 zijde van de wand bevindt zieh een overdruk en aan de andere zijde 6 de lagere druk Pq.

Vöör de opening 2 bevindt zich een plaat 3 die, wanneer de opening 2 rond is, de vorm heeft van een cirkelvormige schijf van grotere diame-5 ter dan die van de opening 2· De stroming uit de ruimte met de druk P^ naar de ruimte met de druk Pq is aangegeven met pijlen 4. De nauwe doorlaat waardoorheen de stroming tijdens het ontspannen plaats vindt, is de doorlaat tussen de wand 1 en de plaat 3 aangegeven met 5. Dit is een ringvormige doorlaat want de stroming uit de opening 2 zal in alle 10 richtingen radiaal uitstromen. Deze stroming vindt met hoge snelheid plaats waardoor zich onder de plaat een druk Pq vormt, die lager is dan de druk Pq· Dit heeft tot gevolg, dat de plaat naar de opening 2 toe gedrukt wordt, waardoor de omstandigheden veranderen. Er ontstaat dan een dynamisch evenwicht met de krachten, die de plaat van de opening 15 2 af willen bewegen. De daarmee gepaard gaande vibratie is hoorbaar.

In fig. 1 zijn verder A resp. B aangegeven de cilindrische vlakken, die begin en einde van de nauwe doorlaat 5 tussen plaat 3 en wand 1 bepalen. De daarbij behorende stralen zijn aangegeven met Rc en 1¾ en de snelheden aldaar met Vq resp. V2· Gaat men ervan uit, dat er 20 geen energiedissipatie optreedt en verwaarloost men de massa van de plaat 3 dan mag men voor de vergelijking van Bernoulli voor de stroming tussen de vlakken A tot B schrijven: lv|- XvcJ + 4(p0-pc) = o 25 waarin <3 = de dichtheid van het medium fo = de lagere druk [£ - de druk onder de plaat 3.

30 Hieruit volgt: %-ρο* iï(vi-*c) ω

De massabalans is: 35 V21?2 = VCRC (2)

Bit (1) en (2) volgt: £=¾ Vc(( -jj| )*—l) (3)

Aangezien

Jk < 1 volgt uit (3) r2 dat ^ < P0 40 Dit betekent dus dat de druk naar het centrum van de smoorinrich- 8602297 * 6 ting af neemt en lager is dan de lage druk Pq. De plaat 3 wordt dus naar de opening 2 toegetrokken.

De krachtcomponent die de plaat 3 naar de opening 2 drukt is: Κ,βΤΠΐΙΡο 5 De krachtcomponent die de plaat van de opening weg wil bewegen is: Κ2«τπ4 I Pi + <?Vc <J-±. <o*(2Vc | waarin: - *2 10 Bij het naar de opening toe bewegen van de plaat, ontstaat er een toestand waarin het door de opening 2 stromend medium de druk P^ weer zal doen toenemen. De plaat beweegt zich dan van de opening af en er ontstaat een fluctuerende toestand ook aan te duiden als evenwichtstoe~ stand. Deze is hoorbaar, want de plaat trilt.

15 Fig. 2 toont een kanaal 6, dat uitmondt via de opening 7 in de bodem van een schaal 8, die hol bolvormig is. Het lichaam is een bolvormig lichaam 9, dus een kogel, en de nauwe doorgang wordt tussen de wand van de kogel en de binnenwand van de schaal 8 gevormd en is aangegeven met 10.

20 Op de kogel zijn uitsteeksels 11 weergegeven, die ervoor zorgen, dat bij stilstand de kogel de monding 7 niet afsluit. Vastplakken is dus niet mogelijk.

In de figuren 1 en 2 zijn de plaat resp. kogel boven de monding getekend, doch tijdens bedrijf kan men het geheel ook omkeren, hetgeen 25 toont, dat het lichaam inderdaad door drukverschil op zijn plaats wordt gehouden. Om ervoor te zorgen, dat de kogel of plaat of ander lichaam bij buiten bedrijf zijn niet verloren kan gaan, kan een draadkooi, zoals schematisch aangegeven met 12, zijn aangebracht.

In plaats van de getoonde uitvoeringsvormen zijn andere ook denk-30 baar, zoals bijvoorbeeld een kegelvorm, mits er maar een zijdelingse uitstroming is. Dit kan een kegel zijn waarvan de brede basis het naar de opening toegekeerde vlak vormt, zoals het vlak van de plaat 3 in fig. 1. Het kan ook een kegel zijn, die met de top naar de opening toe is gekeerd en zich bevindt in een kegelvormige holte.

35 Fig. 3 toont een flotatietank 15, die bij 16 toevoer krijgt van vuil water waarin het vuil door middel van een flocculatieproces tot vlokken is gebonden. Dit water treedt bij 17 in de tank 15. Schoon water wordt via de leiding 18 afgevoerd. Een deel van het schone water, d.w.z. 10 tot 50% wordt via de leiding 19 teruggevoerd en bij 20 weer aan het 40 vuile water toegevoerd.

8602297 f 7

Voordien is daaraan echter bij 21 lucht toegevoerd met een druk van ongeveer 1,5 tot 8 bar, zodanig, dat het water in het leidingtrajekt 19, 22 met lucht is verzadigd·

Na het passeren van de afsluiter 23 kan het water uit de leiding 5 21, 22 via het smoororgaan 24 ontsnappen en vormt dan een wolk van kleine belletjes in de vuilwaterleiding, die uitmondt in de tank 15, waardoor de geflocculeerde deeltjes mee omhoog worden genomen en een laag 25 vormen, die op bekende wijze kan worden afgevoerd.

8602297

Claims (10)

1. Smoorinrichting voor het toevoeren van een medium met hogere druk in een medium met lagere druk, welke smoorinrichting is voorzien 5 van een ringvormige nauwe doorlaat, die aansluit op een kanaal of boring en waardoorheen de stroming plaats vindt van het uit het kanaal of boring komende medium met hoge druk naar het medium met lagere druk, welke doorlaat enerzijds is bepaald door een stationaire wand en anderzijds door een lichaam, dat de stroming beïnvloedt, met het kenmerk, dat het 10 de stroming beïnvloedende lichaam een in wezen vrij beweegbaar lichaam is, dat zich voor de mondign van de doorlaat bevindt en een naar de ruimte met lagere druk toegekeerde effectief oppervlak heeft, dat groter is dan het doorsnedeoppervlak van het genoemde kanaal of de boring, welk lichaam met de stationaire wand een zodanig gerichte doorlaat vormt, dat 15 tijdens stroming van medium door deze nauwe doorlaat het lichaam in een evenwichtstoestand wordt gehouden enerzijds door de krachten voortvloeiende uit de druk in de ruimte met lagere druk en anderzijds door. de krachten voortvloeiende uit de drukverdeling in de doorlaat, die het gevolg is van de daar heersende stromingstoestand. 20

2. Smoorinrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat op het lichaam een additionele kracht werkt, die is gericht in de richting van de hartlijn van de ringvormige doorlaat.

3. Smoorinrichting volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat deze kracht wordt geleverd door een veer.

4. Smoorinrichtign volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat deze kracht wordt geleverd door de zwaartekracht van de massa van het 30 lichaam.

5. Smoorinrichting volgens conclusies 1-4, met het kenmerk, dat het lichaam een plat vlak heeft, dat zich bevindt vöör de monding van het kanaal en de doorlaat is bepaald door de stationaire wand, die de mon- 35 ding omgeeft en het er naar toe gekeerde platte vlak van het lichaam dat zich concentrisch voor de monding bevindt.

6. Smoorinrichting volgens conclusies 1-4, met het kenmerk, dat het lichaam een bolvlak heeft met een boldiameter, die groter is dan de 40 diameter van de doorsnede van het kanaal en dit lichaam met het genoemde 8602297 j > bol vlak is gekeerd naar de kanaalopening en althans over een deel van het bolvlak symmetrisch is omgeven door de binnenwand van een concave schaal in de bodem waarvan zich de kanaalopening bevindt.

7. Smoorinrichting volgens conclusies 1-4, met het kenmerk, dat het lichaam een kegel is, die samenwerkt met een kegelvormige schaal.

8. Smoorinrichting volgens conclusie 6, 6 of 7, met het kenmerk, dat het lichaam ten minste enige uitsteeksels heeft op het vlak dat de 10 doorlaat bepaalt.

9. Werkwijze voor het bevorderen van de flotatie in een afschei-dingsproces door een met gasvormig medium onder druk verzadigde vloeistof toe te voeren onder gelijktijdige ontspanning via een smoororgaan 15 aan het vloeibare lage druk medium waarin zich de af te scheiden delen bevindt, met het kenmerk, dat als smoororgaan gebruik wordt gemaakt van een inrichting volgens een of meer der voorgaande conclusies 1 t/m 8.

10. Werkwijze volgens conclusie 9, met het kenmerk, dat het proces 20 een vloeistofzuiveringsproces is. 8602297